СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C30B15/20 C30B15/22 C30B29/06 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского.

Известны различные способы получения монокристаллического кремния с однородным распределением кислорода и/или легирующей примеси, включающие вытягивание из расплава кремния, находящегося в тигле.

Например, известен также способ выращивания монокристаллов кремния под воздействием осесимметричного постоянного магнитного поля с индукцией 0,03-0,06 Тл при одновременном выборе соответствующих частот вращения кристалла и тигля ( RU 2042749, С 30 В 15/20, 1995).

В вышеописанном способе тигель состоит из цилиндрической и сферической частей, при этом вытягивание кристалла из цилиндрической части тигля ведут при вполне определенной постоянной скорости вращения, а при достижении уровня сферической части частоту вращения тигля увеличивают в зависимости от роста кристалла.

Другим вариантом выращивания монокристаллов кремния на вращающуюся затравку из расплава в тигле, состоящем из цилиндрической и сферической частей, является способ, предусматривающий изменение частоты вращения тигля и поддержания постоянной частоты вращения кристалла при W_кр > W_т, при этом при выращивании кристалла на цилиндрическом участке W_т увеличивают на (0,2-0,5) об/мин, а при выращивании на сферическом участке тигля W_т уменьшают на (0,15-0,45) об/мин на каждый сантиметр длины кристалла (RU 2077615, С 30 В 15/00, 1997).

Однако вышеописанные способы сложны в исполнении, хотя и обеспечивают высокую осевую однородность кристаллов с нормированным уровнем содержания кислорода.

Известен способ получения монокристаллического кремния, в котором скорость вращения кристалла изменяли от 0 до 6 об/мин, а скорость вращения тигля от 0 до 25 об/мин в различных вариациях. Способ проводили под ультразвуковым воздействием (RU 2035530, С 30 В 15/22, 1994).

Однако оптимальное сочетание скоростей вращения кристалла и тигля определенно.

В научно-технической литературе отмечалось, что скорость вращения кристалла и скорость вращения тигля оказывают заметное влияние на гидродинамику потоков в расплаве кремния, что в свою очередь влияет на концентрацию и распределение кислорода и/или легирующей примеси (см., например, Гускина Л. Г. Влияние условий выращивания на распределение кислорода в монокристаллах кремния. Электронная техника. Серия Материалы 1983 г., выпуск 2 (175), с. 37-38).

Однако конкретных рекомендаций по поддержанию необходимых скоростей вращения данная статья не содержит.

Известен способ выращивания монокристаллов кремния из расплава при непрерывном вращении затравочного кристалла со скоростью 5-25 об/мин и периодическом вращении тигля в противоположную сторону со скоростью 5-20 об/мин (US 4040895, В 01 J 17/18, 1977).

Однако способ не обеспечивает однородного радиального распределения кислорода в монокристаллах.

Более равномерное распределение кислорода в монокристаллах регулируется путем изменения как величины, так и соотношения скоростей вращения затравки и тигля (ЕР 0055619, С 30 В 15/30, 1982).

Однако при выращивании стержня из тиглей с массой загрузки более 10 кг часто происходит как деформация (скручивание) стержня, вследствие чего он принимает винтообразную форму, так и искривление граней роста. Это явление вызвано действием тепловой конвекции, интенсивность которой возрастает с увеличением массы загрузки и особенно сильно проявляется в начале процесса вытягивания при большой глубине расплава кремния.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения бездислокационных монокристаллов кремния с однородным радиальным распределением легирующей примеси и кислорода при большой массе загрузки.

Поставленная задача решается описываемым способом получения монокристаллического кремния, включающим расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся кристаллическую затравку, в котором направления вращения тигля и кристалла совпадают, а отношение скоростей их вращения рассчитывают по формуле:

где ω_т и ω_к - соответственно скорость вращения тигля и кристалла, об/мин;
k - число из интервала от 0,1 до 0,5;
D_вн - внутренний диаметр кварцевого тигля, мм;
d_ном - номинальный диаметр выращиваемого монокристалла, мм;
h_p - начальная глубина расплава в тигле, мм;
Н_н - длина греющей части нагревателя, мм;
γ- коэффициент позиционирования, равный 0,5-3,0, зависящий от положения тигля с расплавом в полости нагревателя, и конструкции теплового узла и определяемый экспериментально.

Предпочтительно вытягивание кристалла из расплава проводить в атмосфере защитного инертного газа (например, аргона) с переменной скоростью вытягивания, вначале со скоростью 3-7 мм/мин до получения шейки монокристалла диаметром 2-5 мм и достижения бездислокационной структуры, затем вытягивают стержень со скоростью 0,1-1,0 мм/мин до достижения заданного диаметра, после чего скорость поддерживают на уровне 0,8-1,5 мм/мин с постепенным снижением ее до 0,4-0,8 мм/мин, а затем повышают до 1,5-2,5 мм/мин для образования обратного конуса.

Сущность изобретения заключается в том, что процесс выращивания монокристалла кремния из расплава, находящегося в кварцевом тигле, ведут при оптимальном профиле движения гидродинамических потоков в расплаве, стимулированных действием как вынужденной, так и тепловой конвекции.

Из теории и практики выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского известно, что профиль гидродинамических течений в расплаве зависит от численных значений комплексов:
- Рейнольдса

- Рэлея

и симплексов: D_K/D_T, h_p/D_T и
где ω_к и ω_т - соответственно угловая скорость вращения кристалла и тигля;
D_к и D_т - диаметр кристалла и тигля соответственно;
ν - кинематическая вязкость расплава;
g - ускорение силы тяжести;
β - коэффициент объемного расширения жидкого кремния;
α - коэффициент температуропроводности расплава;
h_p - глубина расплава;
ΔT - перепад температуры на расстоянии h_p, зависящий от положения тигля с расплавом в полости нагревателя и конструкции теплового узла.

Вышеуказанная совокупность признаков учитывает все вышеперечисленные геометрические, скоростные и тепловые параметры процесса. В результате получаются бездислокационные во всем объеме монокристаллы кремния, имеющие правильную цилиндрическую форму и ровные грани роста, с высокой однородностью распределения как легирующей примеси, так и кислорода в поперечном сечении. Настоящее изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример 1.

Загрузку исходного поликристаллического кремния в количестве 16 кг помещают в кварцевый тигель с внутренним диаметром 262 мм. Закрывают рабочую камеру установки и вакуумируют ее до остаточного давления ~ 1•10² Торр. Закрывают клапан на линии откачки и контролируют герметичность рабочей камеры. Величина натекания не должна превышать 5•10^-3 л•Торр/сек. После этого вновь открывают клапан на линии откачки и подают в рабочую камеру сухой очищенный аргон в количестве 1800 нл/час. Загрузку в течение 30 минут подогревают до 600^oС, а затем за счет увеличения мощности нагревателя производят ее расплавление. После этого мощность нагревателя снижают до значения, соответствующего мощности при вытягивании и в течение 30 минут расплав стабилизируют до достижения температуры 1442-1445^oС. Закрывают клапан на линии откачки и с помощью вентиля на байпасной линии устанавливают давление аргона в камере печи равным 10-12 Торр. Расход аргона при этом уменьшают до 1200 нл/мин.

Поднимают тигель, вращающийся со скоростью 5 об/мин, в рабочее положение, соответствующее величине γ=1,5, и в расплав на глубину 2 - 4 мм вводят затравку диаметром 12,7 мм, вращающуюся со скоростью 12 об/мин в том же направлении, что и тигель. Подбирают номинальную температуру для затравления и производят вытягивание тонкой шейки монокристалла диаметром 2,5-3 мм до появления на ней бездислокационной структуры. Скорость вытягивания уменьшают до 0,3 мм/мин и понижают температуру расплава до достижения монокристаллом заданного диаметра, равного 102±1,5 мм. Затем скорость вытягивания увеличивают до 1,5 мм/мин и поддерживают ее в течение 3-5 минут для плавного выхода монокристалла на заданный диаметр. Включают систему автоматического регулирования диаметра и устанавливают начальную скорость вытягивания равной до 1,4 мм/мин. Производят вытягивание цилиндрической части монокристалла, при этом во избежание переохлаждения расплава и его спонтанной кристаллизации по периферии тигля скорость вытягивания автоматически (по заданной программе) уменьшается, достигая 0.4 мм/мин в конце процесса.

По окончании выращивания цилиндрической части слитка автоматическую систему регулирования диаметра отключают, и во избежание последствий термоудара при последующем отрыве слитка от расплава, изготавливают обратный конус длиной 65-80 мм. Для этого скорость вытягивания слитка плавно увеличивают до 2 мм/мин и/или несколько увеличивают мощность на нагревателе. Выращенный монокристалл кремния за счет ускоренного перемещения затравки вверх отрывают и удаляют от расплава на 30-50 мм. Закрывают кран на байпасной линии и заполняют рабочую камеру аргоном до давления 600-700 Торр.

Получают бездислокационный монокристалл кремния массой 14,94 кг с длиной цилиндрической части 630 мм. В зависимости от требуемых электрофизических параметров выход в готовую продукцию составляет 40-65%. Полученный монокристалл имеет правильную цилиндрическую форму без искривления граней роста, а радиальная неоднородность удельного сопротивления (RRV) и кислорода (ORV) не превышают соответственно 1,5% и 2,5%. Отношение скорости вращения тигля к скорости вращения кристалла на протяжении процесса выращивания поддерживают равным 0,416 из расчета его по формуле:

где k - число из интервала от 0,1 до 0,5;
D_вн и d_ном - соответственно внутренний диаметр тигля (262 мм) и номинальный диаметр кристалла (100 мм);
h_p и Н_н - соответственно начальная глубина расплава в тигле (145 мм) и длина греющей части нагревателя (300 мм);
γ - коэффициент позиционирования, в данном примере равный 1,5 и учитывающий положение расплава в полости нагревателя. Для каждой конструкции теплового узла численное значение коэффициента определяется опытным путем и может изменяться от 0,5 до 3,0.

В данном примере коэффициент позиционирования равен 1,5. Вышесказанное значение получено путем экспериментального подбора положения расплава в полости нагревателя, обеспечивающего получение кристалла с равными гранями.

Измерения RRV и ORV проводились на шайбах, вырезанных из верхней, средней и нижней части слитка. Толщина отрезанных шайб составляла 5±1 мм для измерения RRV и 2,4±0,1 мм для измерения ORV. Для разрушения термодоноров, искажающих истинные значения удельного сопротивления, шайбы термообрабатывались при температуре 650^oС в течение одного часа, а затем со скоростью 30^oС/мин охлаждались на воздухе. После двухсторонней подшлифовки толстых шайб на глубину ~ 0,5 мм на них проводились измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом. Более тонкие шайбы полировались до толщины 2,25±0,05 мм и на них измерялось содержание оптически активного кислорода на инфракрасном спектрофотомере дифференциальным методом.

Расчеты радиальной неоднородности распределения удельного сопротивления (RRV) и кислорода (ORV)

проводились в соответствии с требованиями международного стандарта ASTM (соответственно F 81 plan В и F 951 plan В):
где - удельное сопротивление на периферии шайбы в 6 мм от края. Среднее из четырех измерений под углом 90^oС.

- удельное сопротивление в центре шайбы. Среднее из двух измерений под углом 180^oС.

где (Oi)_к - концентрация оптически активного кислорода на периферии шайбы вблизи 6 мм от края. Среднее из двух измерений под углом 180^oС;
(Oi)_ц - концентрация оптически активного кислорода в центре шайбы.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в получении монокристаллического кремния с высоким выходом и однородным радиальным распределением легирующей примеси и кислорода.

Предлагаемое изобретение обеспечивает при реализации следующие преимущества:
- Увеличивается выход годных микросхем с пластины.

- Материал позволяет изготавливать микросхемы с высокой степенью интеграции, включая сверхбольшие интегральные схемы, а также запоминающие устройства с большим объемом памяти.

- Снижается себестоимость изготовления монокристаллов и микросхем.

- На 1,5-2% повышается кпд солнечных элементов, изготовленных из монокристаллов, полученных по предлагаемому способу.

Область применения: изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского. Сущность изобретения состоит в способе получения монокристаллического кремния, включающем расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся затравку, в котором процесс ведут в атмосфере инертного газа, при совпадении направлений вращения тигля и кристалла и при соотношении скоростей вращения тигля и кристалла, определяемом по формуле
где ω_T и ω_K - соответственно скорость вращения тигля и кристалла, об/мин; k - число из интервала от 0,1 до 0,5; D_вн - внутренний диаметр кварцевого тигля, мм; d_ном - номинальный диаметр выращиваемого монокристалла, мм; h_p - начальная глубина расплава в тигле, мм; Н_н - длина греющей части нагревателя, мм; γ - коэффициент позиционирования, учитывающий положение тигля с расплавом в полости нагревателя, а также конструкцию теплового узла. Находится в интервале 0,5-3,0 и предварительно определяемый экспериментально. Изобретение позволяет получать бездислокационные монокристаллы кремния с однородным радиальным распределением легирующей примеси и кислорода при большой массе загрузки. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения монокристаллического кремния, включающий расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся кристаллическую затравку, отличающийся тем, что направление вращения тигля и кристалла совпадают, а отношение скоростей вращения тигля и кристалла рассчитывают по формуле

где ω_T и ω_K - соответственно скорость вращения тигля и кристалла, об/мин;
k - число из интервала от 0,1 до 0,5;
D_вн и d_ном - соответственно внутренний диаметр тигля и номинальный диаметр выращиваемого монокристалла, мм;
h_p - начальная глубина расплава в тигле, мм;
Н_н - длина греющей части нагревателя, мм;
γ - коэффициент позиционирования, равный от 0,5 до 3,0, зависящий от положения тигля с расплавом в полости нагревателя и конструкции теплового узла и предварительно определенный экспериментальным путем. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вытягивание кристалла из расплава ведут с переменной скоростью 3-7 мм/мин до вытягивания шейки монокристалла диаметром 2-5 мм и достижения бездислокационной структуры, затем вытягивают стержень со скоростью 0,1-1,0 мм/мин до достижения заданного диаметра, после чего скорость поддерживают на уровне 0,8-1,5 мм/мин с постепенным снижением ее до 0,4-0,8 мм/мин, а затем с повышением до 1,5-2,0 мм/мин для образования обратного конуса. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что процесс ведут в атмосфере инертного газа.